一种基于物理模型的光伏模拟器工程实现方法

张卫丰，罗欢

（1.深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172; 2.深圳信息职业技术学院招生就业办公室，广东 深圳 518172）

一种基于物理模型的光伏模拟器工程实现方法

张卫丰1，罗欢2

（1.深圳信息职业技术学院电子与通信学院，广东 深圳 518172; 2.深圳信息职业技术学院招生就业办公室，广东 深圳 518172）

本文提出了一种以光伏电池物理模型为基础，通过计算拟合，提取光伏电池的特性曲线数据，将其应用到光伏模拟器的控制策略中，从而实现光伏模拟器可靠精确地模拟实际光伏系统的新方法。用数学方法对光伏电池的物理模型进行了推导，并用Matlab软件对物理模型进行了仿真和数据提取。利用仿真拟合提取的数据，作为控制器的查表数据，对模拟器进行了实验，根据实测数据绘制出了模拟器I-V曲线，实验结果表明，实测和物理模型曲线相吻合。新方法为光伏模拟器的实际应用提供了一种有益借鉴。

光伏阵列；模拟器；物理模型；计算拟合

太阳能由于“取之不尽、用之不竭”，绿色，环保等特点，在能源紧缺的今天，具有广阔的应用前景，是可再生能源中最有发展前途的能源。近年来，国内外学者对太阳能光伏发电系统进行了广泛研究[1-4]。太阳能应用相关产品开发中，利用实际太阳能电池阵列进行实测实验研究，开发成本高，而且易受自然环境条件限制，实验效果差，产品开发慢，高投入低产出，结果很难令人满意。如果用一种模拟装置代替传统太阳能电池阵列进行实际产品开发和实验，可以大大降低开发成本，便于调试，提升产品开发和实验效率[4]。

基于此，文中提出了一种基于物理模型的光伏模拟器实现方法，简单可靠。新的光伏模拟器实现方法，通过输入电池的容量、日射及环境温度等参数，就可以实现实际太阳能阵列在各种日射强度和环境温度下的I-V及P-V的特性。

1 光伏电池的物理模型分析

光伏电池的电流，电压关系式可以用式（1）表示：

如果考虑太阳光照和温度变化对太阳能电池影响，则有

α：在标准光照条件下，电流变化温度系数；β：在标准光照条件下，电压变化温度系数；：光伏电池的内阻；S：任意光照强度；T：光伏电池温度。

从光伏电池物理模型可知，环境温度和日照强度均会影响光伏电池输出电压、电流，因此，同一块光伏电池具有多条特性曲线。

2 光伏模拟器工程实现方法

2.1 光伏模拟器电路

光伏模拟器主电路由前后两级电路组成，前级电路为整流电路和功率因素校正电路，后级由全桥变换和整流电路组成，整流变换电路和整流输出电路之间用高频隔离变压器进行隔离。电路图如图1所示。

前级电路提升了电路功率因数，使模拟器功率因数高，接近1，以免影响电网系统。全桥变换电路可以实现宽电压范围输出和大功率输出。高频变压器实现了输入输出能量的转换，且对市电和输出低压直流电进行了隔离，安全可靠。

图1 光伏模拟器主电路结构图Fig.1 Main circuit of photovoltaic simulator

图2 光伏模拟器I-V特性曲线Fig.2 I-V characteristic curve of photovoltaic simulator

2.2 光伏电池I-V特性模拟

光伏模拟器首要任务就是要对光伏电池实际输出特性进行数学模拟，以模拟输出数据作为控制器的输入参数。

研究中，如果采用恒定的太阳能电池环境温度和日照强度，根据太阳能电池物理模型，可以得到一条固定的电压、电流曲线。以太阳能电池物理模型公式为基础，在MATLAB软件中建立太阳能电池的数学模型，可以计算出光伏电池的电压电流数据表，模拟出光伏电池的电压电流曲线（I-V Curve），如图2所示，图中用横轴表示电压，纵轴表示电流。由图2可知，曲线反映了光伏电池接入固定负载，在开路到短路等不同情况下的电压电流变化情况。因此，在不同的负载情况下，只要能模拟输出电压电流大小，使得实际工作点落在I-V特性曲线上，就实现了光伏电池特性模拟的目的。

2.3 光伏模拟器控制原理

设计中，将MATLAB软件模拟的太阳能电池特性数据以数据表保存，作为控制器的输入。控制部分采用查表法，该方法具有准确、快速、方便等优点。控制框图如图3所示。对模拟器输出电压电流进行采样，利用查表法，获得光伏电池的特性曲线，得到输出电压所对应的电流值，并将此电流值作为比较器的输入指令值，与实际采样测得的电流进行比较，比较器输出的误差值经电流PI调节器后去控制开关管的动作，达到控制实际负载电流跟踪指令值之目的。

图3 光伏模拟器控制原理框图Fig.3 Schematic diagram of control system for photovoltaic simulator

由图3可知，模拟器控制上采用电压电流双环控制。正常状态时，电压环不启动，电压变动对系统不产生影响；当模拟器输出电压超出给定电压时，系统立刻禁止PWM环节的驱动信号输出，将模拟器输出电压限制在给定电压以下。

电流环的电流指令值通过光伏电池数学模型对应I-V表查得，它与实测负载电流反馈量的误差通过电流调节器进行调节，形成PWM占空比的控制指令，使模拟器输出电流始终跟踪指令电流。实际应用中，负载确定后，就可以得到既满足欧姆定律又满足光伏电池数学模型的电流电压输出，即光伏模拟器的输出符合太阳能光电池伏安特性。

3 光伏模拟器实验

设一个光伏组件短路电流为4.8A，开路电压为22V，最大功率点对应的电流、电压为4.34A，17.6V。实际应用中，多个光伏组件进行串并联组合，即可得到所需容量的光伏特性曲线。文中3并18串，即可得到14.4A的短路电流和396V的开路电压。

基于文中的光伏电池模型，模拟的光伏电池电压电流数据及全桥硬件电路，对该模拟器进行了实验验证。 实验中，由于实验负载的局限性，实验只能取有限个点来模拟，即对比给定曲线图，实验只能模拟图1中的一段（电流值小于9A），而且控制程序中在模拟输出电压大于320V这一区间时，考虑到这一段电流变化非常大，不容易控制，给定了一个恒值来模拟的。实测的光伏电池模拟器I-V数据如表1所示，I-V特性曲线如图4所示。

由实测数据及曲线可知，实验中功率做到了2740.83W，模拟了最大功率点以下的一段曲线，与物理模型模拟曲线吻合。

表1 实测的光伏模拟器I-V数据Tab.1 Measured I-V data of the PV simulator

图4 光伏模拟器实测I-V特性曲线Fig.4 Measured I-V characteristic curve of photovoltaic simulator

4 结 论

以太阳能电池的工程物理模型为基础，利用Matlab软件对模型进行了仿真和数据提取，利用仿真拟合提取的数据，作为控制器的查表数据，对模拟器进行了实验，根据实测数据绘制出了模拟器I-V曲线，实验结果表明，实测和物理模型曲线相吻合。通过对硬件电路和软件的调试，证明了文中方案的可行性，为实际光伏模拟器的开发提供了一种新尝试。

[1] 史清风,刘辛国,吴杰等.光伏电池板输出特性的仿真及检验[J].微型机与应用,2012,31(23):78-80. SHI Qingfeng, LIU Xinguo, WU Jie.The simulation of solar panel output features and verification[J].Microcomputer& its applications,2012,31(23):78-80.（in Chinese）

[2] 李谦, 李永东,王奎等.太阳能电池阵列模拟器的设计和实现[J].电气传动,2008,38(5):8-10. LI Qian, LI Yongdong, WANG Kui, et al. D esign and Development of Solar Array Simulator[J].Electric drive,2008,38(5):8-10.（in Chinese）

[3] 郑鹤玲,毕大强,葛宝明. 光伏模拟系统建模与控制器参数优化[J]. 电力系统保护与控制, 2011,39(18):49-55. ZHENG Heling, BI Daqiang, GE Baom ing. Modeling and optimizing control parameters of PV simulator[J]. Power System Protection and Control,2011,39(18):49-55.（in Chinese）

[4] 白建成, 金新民, 荆龙等. 基于PWM整流器无功调节技术的新型光伏模拟器[J]. 大功率变流技术,2014,3:74-78. BAI Jiancheng, JIN Xinmin, JING Long，et al. Novel PV Simulator Based on Reactive Power Adjustment of PWM Rectifier[J]. Highpower converter technology,2014,3:74-78.（in Chinese）

Engineering implementation of photovoltaic simulator based on physical model

ZHANG Weifeng1，LUO Huan2
（1.School of Electronic and Communication Technology, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, P.R.China; 2.Admission and Employment Office, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen 518172, P.R.China）

A novel photovoltaic simulator implementation method is proposed which can make the photovoltaic simulator simulate the actual photovoltaic s ystem reliably and accurately. Bas ed on the phys ical model, the characteristic curve data is extracted by calculating and fitting. Then, the extracted parameters are applied to the control algorithm of the photovoltaic simulator. The physical model of photovoltaic cells is deduced by mathematical methods. And the model is simulated with the software Matlab. The experiments are done on the proposed photovoltaic simulator using the extracted characteristic curve data as the input data of the controller .The I-V curve of the simulator is shown according to the experimental data. The experiments show that the measured curve and the model curve is in agreement. The new method provides a way for application of photovoltaic simulator.

photovoltaic array; simulator; physical model; calculation and fitting

TM914.4

：A

1672-6332（2017）01-0020-04

【责任编辑：杨立衡】

2016-12-07

广东省自然科学基金博士启动项目（S2012040007242）；深圳市科技计划项目（JCYJ20140418100633638，JCYJ20160527101807403）；深圳信息职业技术学院教研课题（2016jgyb03）

张卫丰（1978-），男（汉），湖北丹江口人，博士，副教授，主要研究方向：新型电源技术，马达控制及其功率变换技术。E-mail：zhangwf@sziit.edu.cn